전기공학개론: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결
Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬
Req = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

마디 해석

키르히호프 전류 법칙
ΣIin = ΣIout
가지 전류
I = (Va − Vb)/R
기준 마디
Vground = 0

방법

  1. 기준 마디(접지)를 정하고 나머지 마디 전압에 이름을 붙이세요.
  2. 미지의 마디마다 키르히호프 전류 법칙을 쓰세요. 각 가지로 나가는 전류의 합은 들어오는 전류의 합과 같습니다.
  3. 모든 가지 전류를 (Va − Vb)/R로 나타내세요.
  4. 연립방정식을 푼 다음 필요한 전류를 구하세요.

테브난·노턴

테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

RC·RL 과도 현상

시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ

방법

  1. 스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
  2. 스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
  3. 커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.

교류 임피던스와 페이저

임피던스
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
각주파수
ω = 2πf
크기와 위상각
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
페이저 옴의 법칙
V = I·Z

방법

  1. 주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
  2. 각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
  3. 임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
  4. 크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.

교류 전력과 역률

유효 전력
P = V·I·cos φ
무효 전력
Q = V·I·sin φ
피상 전력
S = V·I = √(P² + Q²)
역률
pf = cos φ = P/S
역률 보상 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

3상 전력

Y 결선
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 결선
VL = Vph, IL = √3·Iph
전체 유효 전력
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
피상 전력과 무효 전력
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압
Δ: VL Y: VL/√3
전동기 입력
Pin = Pout/η

변압기

권수비
a = N1/N2 = V1/V2
전류비
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
정격 전류
I = S/V
환산 임피던스
Z1′ = a²·ZL
부분 부하에서의 동손
Pcu = x²·Pcu,fl
효율
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
최대 효율
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2연습 문제

1.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 12 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBR6​25 Ω

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 5 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​4 A

마디 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 10 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = A
4.마디 해석어려움
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​10 ΩAR4​8 ΩB0.1·VA​

마름모는 전압 제어 전류원이며, 0.1·VA의 전류(A 단위, VA은(는) V 단위)를 마디 B로 위로 밀어 넣는다. 마디 해석법을 이용해 마디 전압 VB (접지 기준)을(를) 구하시오.

V1 = 5 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ωg = 0.1 A/V
VB = V
5.테브난·노턴보통
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
6.테브난·노턴어려움
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​6 ABab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 5 VIs = 6 AR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
7.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​12 Vt = 0R = 20 ΩL47 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 5 ms에서 인덕터에 저장된 에너지 W을(를) mJ로 구하시오.

Vs = 12 VR = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
8.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​9 Vt = 0R = 4.7 kΩC?+−vC​

타이머가 t = 0에 9 V 전원에서 저항을 통해 충전되지 않은 커패시터를 충전하기 시작한다. 타이머는 시작 후 정확히 1000 ms에 커패시터 전압이 4.5 V에 도달할 때 작동해야 한다. R = 4.7 kΩ일 때 필요한 커패시턴스 C을(를) 구하시오.

Vs = 9 VVth = 4.5 VT = 1000 msR = 4.7 kΩ
C = µF
9.교류 임피던스와 페이저보통
50 V50 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 47 µFI

직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 47 µF
I = A
10.교류 임피던스와 페이저어려움
120 V1000 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 1 µF+−VC​

직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 1000 Hz 전원에 연결되어 있다. 커패시터 양단 실효 전압 VC을(를) 구하시오.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 1 µF
VC = V
11.교류 전력과 역률보통
P = 9 kWQ = ?Sφ

단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.7로 9 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.

P = 9 kWpf = 0.7V = 230 V
Q = kvar
12.교류 전력과 역률어려움
10 V1000 HzRs​ = 8 ΩXs​ = j3 ΩZL​ = ?

10 V(실효값), 1000 Hz 전원의 내부 임피던스는 Zs = 8 + j3 Ω이다. 부하 임피던스 ZL은(는) 자유롭게 선택할 수 있다. 부하에 전달할 수 있는 최대 유효 전력 Pmax을(를) 구하시오.

Vs = 10 V (rms)f = 1000 HzZs = 8 + j3 Ω
Pmax = W
13.3상 전력보통
ABCVL​ = 400 VZ = 18 + j24 Ω상당

상당 임피던스가 18 + j24 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 400 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

VL = 400 VZ = 18 + j24 Ω 상당
P = kW
14.3상 전력어려움
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 480 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 150 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Δ 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 150 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.변압기보통
75 ΩN1​N2​10800 Ω

출력 저항이 10800 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 75 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 10800 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.

Rs = 10800 ΩRL = 75 Ω
a =
16.변압기어려움
pf 0.8525 kVA, η = 96%

단상 25 kVA 변압기의 철손은 100 W이다. 정격 부하, 역률 0.85(지상)에서 효율은 96%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 25 kVAPcore = 100 Wpf = 0.85η = 96%
Pcu,fl = W

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: Req = 17.87 Ω

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R3 + R4 = 10 + 12 = 22 Ω
R2 ∥ 22 = 8·22/(8+22) = 5.867 Ω
Req = R1 + 5.867 = 12 + 5.867 = 17.87 Ω

답

Req = 17.87 Ω
2.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 2.5 A

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBR6​25 Ω

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R5 + R6 = 5 + 25 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 10 Ω
R3 + 10 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 8 + 4 = 12 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 30/12 = 2.5 A

답

IR1 = 2.5 A
3.마디 해석

답: IR1 = 0.2564 A

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​3 ΩBIs​4 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 10 V). 미지수: VA, VB.

마디 A에서 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 10)/15 + (VA − VB)/3 = 0
0.6·VA − 0.3333·VB = 0.6667

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/3 + (VB − VA)/3 = 4
−0.3333·VA + 0.6667·VB = 4

풀기

Δ = (0.6)(0.6667) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.2889
VA = Δ1/Δ = 1.778/0.2889 = 6.154 V
VB = Δ2/Δ = 2.622/0.2889 = 9.077 V

답

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (10 − 6.154)/15 = 0.2564 A
4.마디 해석

답: VB = 2.632 V

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

마디 A에서의 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.3333·VA − 0.06667·VB = 0.8333

마디 B에서의 KCL

종속 전원은 g·VA를 마디 B로 밀어 넣습니다. 독립 전원처럼 다룬 다음 VA 항을 좌변으로 옮기세요.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.1·VA
−0.1667·VA + 0.1917·VB = 0

풀기

Δ = (0.3333)(0.1917) − (−0.06667)(−0.1667) = 0.05278
VA = Δ1/Δ = 0.1597/0.05278 = 3.026 V
VB = Δ2/Δ = 0.1389/0.05278 = 2.632 V

답

VB = 2.632 V
5.테브난·노턴

답: Vth = 2.25 V

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω단락R2​4 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 12·4/(12+4) = 3 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3 + 20 = 23 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·4/(12+4) = 2.25 V
6.테브난·노턴

답: Vth = 93.06 V

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω단락R2​25 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 6·25/(6+25) = 4.839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.839 + 10 = 14.84 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAIs​6 ABab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4.032 + 6·4.839 = 33.06 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33.06 + 6·10 = 93.06 V
7.RC·RL 과도 현상

답: W = 6.565 mJ

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 47 mH / 20 Ω = 2.35 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0.6 A

주어진 시각의 전류

i(t) = 0.6·(1 − e−5/2.35) = 0.5285 A

저장된 에너지

W = ½·L·i² = ½·47·0.5285² = 6.565 mJ

답

W = 6.565 mJ
8.RC·RL 과도 현상

답: C = 307 µF

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

필요한 시정수

4.5 = 9·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(9/(9 − 4.5))
τ = 1000/0.6931 = 1443 ms

정전 용량

kΩ × µF는 밀리초입니다.

C = τ/R = 1443/4.7 = 307 µF

답

C = 307 µF
9.교류 임피던스와 페이저

답: I = 1.207 A

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

리액턴스

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.25 = 78.54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

임피던스

직렬에서는 임피던스를 복소수로 더합니다: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (10.81)²) = 41.44 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 50/41.44 = 1.207 A

답

I = 1.207 A
10.교류 임피던스와 페이저

답: VC = 40.38 V

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

리액턴스

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.1 = 628.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159.2 Ω

임피던스

직렬에서는 임피던스를 복소수로 더합니다: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (469.2)²) = 473 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 120/473 = 0.2537 A

커패시터 전압

VC = I·XC = 0.2537·159.2 = 40.38 V

답

VC = 40.38 V
11.교류 전력과 역률

답: Q = 9.182 kvar

교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.

위상각

φ = arccos(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

무효 전력

Q = P·tan φ = 9·1.02 = 9.182 kvar

답

Q = 9.182 kvar
12.교류 전력과 역률

답: Pmax = 3.125 W

교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.

켤레 정합

부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.

ZL = Zs* = 8 − j3 Ω

최대 전력

I = Vs/(2Rs) = 10/16 = 0.625 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·8) = 3.125 W

답

Pmax = 3.125 W
13.3상 전력

답: P = 9.6 kW

평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

상전압

Vph = VL = 400 V

상전류

|Z| = √(18² + 24²) = 30 Ω
Iph = 400/30 = 13.33 A

전체 유효 전력

각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.

P = 3·Iph²·R = 3·13.33²·18 = 9.6 kW

답

P = 9.6 kW

확인: cos φ = R/|Z| = 0.6이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.

14.3상 전력

답: Cph = 183.5 µF

평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). 세 커패시터는 각각 QC/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 VL, Y 뱅크에서는 VL/√3입니다.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.

Q1 = 150·tan(acos 0.8) = 150·0.75 = 112.5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.9) = 150·0.4843 = 72.65 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 39.85 kvar

상당 정전 용량

Δ 뱅크에서 각 커패시터는 두 선 사이에 연결됩니다.

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13284/(314.2·480²) = 183.5 µF

답

Cph = 183.5 µF
15.변압기

답: a = 12

이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.

환산 부하 정합

a²·75 = 10800
a = √(10800/75) = √144 = 12

답

a = 12
16.변압기

답: Pcu,fl = 785.4 W

변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.

출력 전력과 입력 전력

Pout = 25·0.85 = 21.25 kW
Pin = 21250/0.96 = 22135 W

전체 손실과 동손

Ploss = 22135 − 21250 = 885.4 W
Pcu,fl = 885.4 − 100 = 785.4 W

답

Pcu,fl = 785.4 W

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